還在(zai)為(wei)線寬(kuan)測(ce)量發(fa)愁(chou)嗎？這(zhe)裏有妳要(yao)的幹貨！

還在(zai)為(wei)線寬(kuan)測(ce)量發(fa)愁(chou)嗎？這(zhe)裏有妳要(yao)的幹貨！

線寬(kuan)是(shi)激光(guang)器(qi)的重(zhong)要(yao)參數。激光(guang)起(qi)振(zhen)後，會(hui)有壹個(ge)或多個(ge)縱(zong)模(mo)產生，每(mei)個(ge)縱(zong)模(mo)的頻率(lv)的範圍就是(shi)激光(guang)的線寬(kuan)。註(zhu)意(yi)每(mei)個(ge)縱(zong)模(mo)的頻率(lv)寬(kuan)度(du)和縱(zong)模(mo)之(zhi)間(jian)的間隔(ge)是(shi)兩個(ge)不(bu)同的概念，縱(zong)模(mo)間隔(ge)是(shi)相鄰(lin)兩(liang)個(ge)縱(zong)模(mo)中心頻率(lv)的差值(zhi)。激光(guang)線寬(kuan)由(you)諧(xie)振(zhen)腔的品質(zhi)因數(shu)決(jue)定(ding)，腔的品質(zhi)因數(shu)越高，激光(guang)線寬(kuan)就(jiu)越窄(zhai)。激光(guang)器(qi)的線寬(kuan)有壹個(ge)最小(xiao)的下限，單色光(guang)的振(zhen)幅、相(xiang)位(wei)和(he)頻率(lv)的任何漲(zhang)落(luo)都會產(chan)生有限的線寬(kuan)。除(chu)了(le)乘(cheng)機nd 引起(qi)的 “技(ji)術(shu)噪音(yin)"之(zhi)外(wai)，還有其他三種基本(ben)噪音(yin)源(yuan)，即(ji)便(bian)是(shi)W美的穩定(ding)系統也(ye)不(bu)可能消(xiao)除(chu)它們(men)。這(zhe)些噪音(yin)源(yuan)在(zai)不(bu)同的程度(du)上影(ying)響(xiang)單模(mo)激光(guang)器(qi)的殘余(yu)線寬(kuan)。噪音(yin)的第壹(yi)種貢獻(xian)來自於激光(guang)上(shang)能級 Ei 中被激發(fa)原子(zi)的自發(fa)輻射(she)。導致譜線展(zhan)寬(kuan)的第二(er)種噪音(yin)來(lai)源是(shi)振(zhen)蕩模(mo)式中光(guang)子(zi)數(shu)目(mu)的統計(ji)漲(zhang)落(luo)所(suo)引起(qi)的振(zhen)幅漲(zhang)落(luo)。殘(can)余(yu)激光(guang)線寬(kuan)的主要(yao)來源是(shi)相位漲(zhang)落(luo)。此(ci)外(wai)，共振(zhen)腔的共振(zhen)峰半高寬(kuan) Δvc 必(bi)然會(hui)影(ying)響(xiang)激光(guang)線寬(kuan)， 因(yin)為(wei)它決(jue)定(ding)了增益(yi)大(da)於損(sun)耗的光(guang)譜間隔。對(dui)於半導體(ti)激光(guang)器(qi)其載流子(zi)濃度(du)的變化還會(hui)產(chan)生光(guang)場(chang)附加相移(yi)從而引起(qi)馳豫(yu)振(zhen)蕩導致線寬(kuan)展(zhan)寬(kuan)。當(dang)考慮(lv)了(le)所(suo)有這(zhe)些因素之(zhi)後(hou)，可以得到(dao)激光(guang)線寬(kuan)理(li)論下(xia)限的著名(ming)的 Schwalow-Townes 關(guan)系：

壹、普通線寬(kuan)測(ce)量

激光(guang)線寬(kuan)(FWHM)是(shi)壹項重(zhong)要(yao)指(zhi)標(biao)，如(ru)何對(dui)其測(ce)量是(shi)非常(chang)重(zhong)要(yao)的。普通光(guang)譜或激光(guang)線寬(kuan)可(ke)由(you)光(guang)譜儀(yi)或幹涉(she)儀(yi)測量(liang)。光(guang)譜分析(xi)儀(yi)的分辨(bian)率(lv)可(ke)以滿足大(da)於 0.02nm 的激光(guang)源(yuan)線寬(kuan)的測試，F-P 腔幹涉(she)儀(yi)的分辨(bian)率(lv)壹(yi)般(ban)可(ke)以達(da)到(dao) 10MHz。

二、窄(zhai)線寬(kuan)激光(guang)器(qi)線寬(kuan)測(ce)量

窄(zhai)線寬(kuan)激光(guang)器(qi)的真實線寬(kuan)是(shi)難以測量(liang)的，要(yao)檢測千赫(he)茲量(liang)級的單頻激光(guang)器(qi)的線寬(kuan)，目(mu)前(qian)常(chang)用拍(pai)頻(pin)的方式將(jiang)光(guang)域的高頻信(xin)息轉(zhuan)換成射(she)頻(pin)段(duan)（微(wei)波(bo)頻(pin)段(duan)）的低(di)頻(pin)信(xin)息進行測量(liang)。通過(guo)頻(pin)譜分析(xi)儀(yi)測量(liang)電(dian)頻(pin)譜的３ｄＢ帶寬(kuan)，並(bing)根據(ju)譜形(xing)特(te)征計算(suan)出光(guang)譜的線寬(kuan)，即(ji)可以解決(jue)激光(guang)光(guang)譜在(zai)千赫(he)茲量(liang)級的線寬(kuan)測(ce)試分(fen)析(xi)問(wen)題。

對(dui)於窄(zhai)線寬(kuan)所(suo)有的測量(liang)方法均(jun)受限於有限的測量(liang)時(shi)間(jian)，及在(zai)這(zhe)段(duan)時(shi)間(jian)內激光(guang)光(guang)源(yuan)的線寬(kuan)受(shou)到的由(you)不(bu)同噪音(yin)源(yuan)引起(qi)的頻率(lv)抖動的影響(xiang)，如(ru)泵浦(pu)激光(guang)器(qi)噪聲(sheng)、聲(sheng)學(xue)噪聲(sheng)、振(zhen)動噪聲(sheng)等(deng)。以窄(zhai)線寬(kuan)激光(guang)器(qi)為(wei)例，測得的線寬(kuan)可(ke)以看(kan)作(zuo)是(shi)測量系統在(zai)積(ji)分時(shi)間(jian)內的技(ji)術(shu)噪聲(sheng)源(yuan)造成的綜(zong)合的頻率(lv)抖動。

常(chang)用的混頻法是(shi)光(guang)外(wai)差法。光(guang)外(wai)差法又(you)分(fen)為(wei)雙光(guang)束(shu)外(wai)差(cha)法和單激光(guang)器(qi)的延時(shi)自外差(cha)法。單激光(guang)器(qi)的延時(shi)自外差(cha)法包(bao)括(kuo)了(le)延(yan)時(shi)零(ling)拍自外差(cha)法和延(yan)時(shi)非(fei)零拍自外差(cha)法，這(zhe)兩種方法在(zai)近幾年的窄(zhai)線寬(kuan)光(guang)纖(xian)激光(guang)器(qi)線寬(kuan)測(ce)試中應(ying)用比(bi)較(jiao)廣(guang)泛。利用不(bu)同的測試方法，國內多家單位對(dui)激光(guang)器(qi)線寬(kuan)測(ce)試進行了仔(zai)細研究。

2.1光(guang)外(wai)差原理(li)

光(guang)外(wai)差法與電(dian)子(zi)學(xue)外(wai)差檢測(ce)原理(li)相似。兩束(shu)波(bo)長相近(jin)的光(guang)波(bo)耦(ou)合(he)到(dao)光(guang)探(tan)測器(qi)中混頻從(cong)而產生中頻電(dian)信(xin)號，所(suo)產生的中頻電(dian)信(xin)號的頻率(lv)由(you)兩束(shu)光(guang)的波(bo)長差決(jue)定(ding)，其幅度由(you)兩束(shu)光(guang)的場矢量(liang)內(nei)積(ji)決(jue)定(ding)。

2.1.1雙激光(guang)器(qi)的雙光(guang)束(shu)外(wai)差(cha)法

光(guang)外(wai)差法發(fa)展(zhan)的早(zao)期是(shi)雙激光(guang)器(qi)的雙光(guang)束(shu)外(wai)差(cha)法，其需(xu)要(yao)兩個(ge)激光(guang)器(qi)。壹個(ge)激光(guang)器(qi)輸出功率(lv)和(he)波(bo)長要(yao)十分穩定(ding)，另(ling)壹(yi)個(ge)激光(guang)器(qi)的波(bo)長在(zai)小(xiao)範圍內連(lian)續(xu)可調(tiao)，並(bing)保證兩(liang)束(shu)激光(guang)的波(bo)長差在(zai)很小(xiao)範圍內穩(wen)定(ding)、精密(mi)、連(lian)續(xu)可調(tiao)，才能(neng)實(shi)現(xian)壹定(ding)頻率(lv)範圍內的掃頻測(ce)試。然(ran)而雙光(guang)束(shu)外(wai)差(cha)法需要(yao)兩個(ge)激光(guang)器(qi)，對(dui)激光(guang)器(qi)的頻率(lv)、幅(fu)度(du)等(deng)穩定(ding)性有十分(fen)苛(ke)刻的要(yao)求，實驗(yan)系統(tong)復雜。

2.1.2單激光(guang)器(qi)的延時(shi)自外差(cha)法

延時(shi)自外差(cha)法的基本(ben)原理(li)利用 Mach-Zehnder 型幹涉(she)儀(yi)把光(guang)的相位(wei)或頻(pin)率(lv)噪聲(sheng)轉(zhuan)換為(wei)強(qiang)度噪聲(sheng)。將(jiang)壹路(lu)入射(she)光(guang)分(fen)成兩(liang)路(lu)，將其(qi)中壹路(lu)光(guang)用光(guang)纖(xian)延時(shi)後(hou)，使兩路(lu)光(guang)相(xiang)拍，經光(guang)電(dian)轉換(huan)，在(zai)頻譜分析(xi)儀(yi)上得(de)到(dao)相(xiang)拍後的光(guang)電(dian)流譜線，從(cong)延時(shi)光(guang)電(dian)流譜線確定(ding)出激光(guang)器(qi)線寬(kuan)。這(zhe)種簡(jian)單測量(liang)系統(tong)將(jiang)工(gong)作(zuo)在(zai)零拍狀(zhuang)態，即(ji)參考光(guang)和(he)測試光(guang)頻(pin)率(lv)差(cha)為(wei)零，所(suo)得到的光(guang)電(dian)流譜線的中心頻率(lv)為(wei)零頻(pin)，也(ye)稱為(wei)延時(shi)零(ling)拍自外差(cha)法。其優(you)點是(shi)不(bu)使用聲(sheng)光(guang)調(tiao)制器(qi)，使得光(guang)路(lu)系統(tong)變得(de)簡(jian)單，有利於儀(yi)器的小(xiao)型化和(he)集成化，節(jie)約了成本(ben)，同時(shi)也(ye)減小(xiao)了(le)傳(chuan)輸光(guang)的功率(lv)損(sun)耗。但由(you)於整個(ge)系統(tong)工(gong)作(zuo)在(zai)零頻附近，較容(rong)易(yi)引入由(you)於周(zhou)邊環境(jing)引起(qi)的變動，如(ru)空氣(qi)的微(wei)振(zhen)動和溫(wen)度(du)的細微(wei)變化等(deng)因素帶(dai)來(lai)的影響(xiang)，使得整(zheng)個(ge)儀(yi)器對(dui)環境(jing)的要(yao)求比較高。為(wei)了消(xiao)除(chu)外(wai)界(jie)環境(jing)噪聲(sheng)對(dui)幹涉(she)儀(yi)的幹擾，光(guang)纖(xian)馬赫(he)曾(zeng)德爾（Ｍ－Ｚ）幹涉(she)儀(yi)可以采用全保偏(pian)結(jie)構(gou)，並(bing)置於壹個(ge)聲屏(ping)蔽(bi)盒內(nei)。為(wei)了更(geng)好地(di)避免(mian)上述原因(yin)所(suo)引起(qi)的系統(tong)誤差(cha)，發(fa)展(zhan)出了延時(shi)非(fei)零拍自外差(cha)法。

延時(shi)非(fei)零拍外差(cha)法是(shi)通過(guo)調(tiao)制光(guang)源(yuan)或光(guang)路(lu)，使信(xin)號光(guang)和(he)參考光(guang)產(chan)生壹(yi)定(ding)的頻率(lv)差(cha)，發(fa)生幹涉(she)後產(chan)生的拍頻(pin)位於非零(ling)頻(pin)的中頻附近，避免(mian)周(zhou)邊環境(jing)對(dui)系統(tong)帶來(lai)的低(di)頻(pin)幹擾，從而降低(di)系(xi)統誤差(cha)、提高測量精(jing)度(du)。通(tong)常(chang)有兩種實現(xian)方案，其中之(zhi)壹(yi)調(tiao)制光(guang)源(yuan)，使得激光(guang)器(qi)的輸出光(guang)波(bo)長為(wei)兩個(ge)周(zhou)期性變化的波(bo)長。調(tiao)節方波(bo)的半周(zhou)期恰(qia)好等(deng)於幹涉(she)儀(yi)引入的額外(wai)時(shi)延(yan)，兩束(shu)頻(pin)率(lv)差(cha)固(gu)定(ding)的光(guang)就(jiu)保持同(tong)步，耦合到光(guang)探(tan)測器(qi)進行拍頻(pin)，產生的拍頻(pin)信(xin)號的中心頻率(lv)可(ke)通(tong)過(guo)方波(bo)信(xin)號來(lai)調(tiao)節。

調(tiao)制光(guang)源(yuan)由(you)於是(shi)直接對(dui)光(guang)源(yuan)進行調(tiao)制，系(xi)統(tong)比(bi)較復雜，對(dui)實驗(yan)精確性及成本(ben)的要(yao)求都很高，因此(ci)人們提出了調(tiao)制光(guang)路(lu)改變光(guang)頻(pin)的方案，這(zhe)種方案在(zai)目(mu)前(qian)的各種測試中應(ying)用廣(guang)泛。光(guang)源(yuan)發(fa)出的光(guang)波(bo)經２×１光(guang)耦(ou)合器(qi)１ 分成兩(liang)路(lu)，壹路(lu)經過(guo)光(guang)纖(xian)延遲線，另(ling)壹(yi)路(lu)經過(guo)聲(sheng)光(guang)移(yi)頻器(qi)移(yi)頻，兩(liang)路(lu)光(guang)在(zai)２×１光(guang)耦(ou)合器(qi)２上進行幹涉(she)疊加。且(qie)假(jia)設(she)半導體(ti)激光(guang)器(qi)的光(guang)譜為(wei)洛(luo)倫茲(zi)線型時(shi),中頻信(xin)號的半幅全寬(kuan)是(shi)原激光(guang)器(qi)線寬(kuan)的兩倍,故可由(you)觀(guan)測到的拍頻(pin)譜的f導出被測(ce)激光(guang)的線寬(kuan)特(te)性。

Toptica激光(guang)器(qi)延時(shi)非(fei)零拍外差(cha)法

綜(zong)上所(suo)述，現階段(duan)還沒(mei)有壹個(ge)簡(jian)單快捷(jie)的線寬(kuan)測(ce)試方法，往往都需要(yao)用戶(hu)自己搭(da)建系(xi)統(tong)，用戶(hu)需(xu)要(yao)掌握(wo)大(da)量的基礎(chu)知識(shi)和(he)實(shi)驗(yan)經驗(yan)，否(fou)則搭(da)建出來的測試系(xi)統根本(ben)無法使用。那(na)麽是(shi)否(fou)有壹種簡(jian)單易(yi)用的線寬(kuan)測(ce)試系(xi)統呢(ne)？目(mu)前(qian)對(dui)於普通線寬(kuan)測(ce)量HighFinesse可以提供兩種不(bu)同的線寬(kuan)測(ce)試方案：1. 基於斐昨(zuo)幹涉(she)儀(yi)的線寬(kuan)選項L- Option；2.線寬(kuan)分(fen)析(xi)儀(yi)。

1. HighFinesse波(bo)長計和(he)線寬(kuan)選項 L- Option

L- Option選項是(shi)通過(guo)軟(ruan)件(jian)對(dui)線寬(kuan)進行估算(suan)，它通(tong)過(guo)壹(yi)種特(te)殊的算(suan)法，避免(mian)了幹涉(she)儀(yi)的響(xiang)應(ying)速度偏(pian)慢。這(zhe)種算(suan)法能夠(gou)使線寬(kuan)測(ce)量的估算(suan)好於幹涉(she)儀(yi)分辨(bian)率(lv)的幾倍，同時(shi)，它也(ye)可用於測量(liang)多模(mo)激光(guang)器(qi)帶有邊帶的激光(guang)器(qi)（只有縱(zong)模(mo)之(zhi)間(jian)的間距小(xiao)於300MHz才可測(ce)量(liang)）。任何已(yi)經購(gou)買的波(bo)長計都可以升級此(ci)選項（此(ci)選項要(yao)求使用單模(mo)光(guang)纖(xian)）。

2. HighFinesse 線寬(kuan)分(fen)析(xi)儀(yi)（LWA）

Time trace of frequency deviations

Frequency noise spectrum

Lineshape spectrum

HighFinesse 線寬(kuan)分(fen)析(xi)儀(yi)（LWA）是(shi)壹款(kuan)專(zhuan)業的g端的激光(guang)線寬(kuan)、線型分(fen)析(xi)設(she)備，它基(ji)於法布(bu)裏-珀(po)luo**幹涉(she)儀(yi)原理(li)制造(zao)，是(shi)進行激光(guang)光(guang)譜分析(xi)的B二選擇(ze)。LWA擁有多種型號(hao)，波(bo)長測量(liang)範圍可從(cong)紫(zi)外(wai)到近紅外(380-1700nm)，能覆蓋大(da)部分光(guang)學(xue)光(guang)譜範圍， 依(yi)據不(bu)同型號(hao)線寬(kuan)測(ce)量範圍2KHz-300MHz，采樣(yang)率(lv)30MSa/s，最高線寬(kuan)精(jing)度20KHz。